Зміст
- Вступ
- 1. Актуальність теми
- 2. Мета і задачі дослідження
- 3. Аналіз попередніх досліджень
- 4. Матеріал і результати дослідження
- Висновки
- Перелік джерел
Вступ
Серед пристроїв, що перетворюють електричну енергію в механічну, безперечними лідерами є трифазні асинхронні двигуни. Їх частка становить близько 85% всіх електричних машин. Вони дуже прості і надійні, що робить їх гарним вибором для приводу механізмів промислових підприємств і системи власних потреб електростанцій. Незважаючи на те, що їх конструкція проста і надійна, пошкодження електродвигунів досягає 25% від загального числа працюючих двигунів в рік, що в свою чергу, веде до великих ремонтних робіт. В даний час все більша кількість підприємств приділяють велику увагу розробці, виробництву і установки релейного захисту та автоматики, виконаної на базі мікропроцесорної.
Вважається, що нормальний термін служби асинхронного електродвигуна 15-20 років за умови нормальної експлуатації, однак, є ряд факторів, істотно знижують цей показник: погана якість напруги живлення, підвищена температура, вологість. В результаті несприятливих впливів близько 10% електродвигунів виходять з ладу.
Аварии, причиной которых является поломка электродвигателей, обычно приводят к крупному материальному ущербу из-за простоя всего технологического процесса.Все анормальные режимы работы ведут к росту температуры нагрева обмоток АЭД, и, следовательно, к сокращению срока службы машины. Превышение температуры нагрева выше допустимых значений является причиной старения изоляции обмоток двигателя, а, следовательно, способствует появлению тяжёлых аварийных режимов, таких как многофазные короткие замыкания, витковые замыкания, однофазные замыкания на землю в обмотке статора (для АЭД работающих в сетях с изолированной нейтралью). Аварийные режимы приводят, в свою очередь, к выплавлению стали магнитопровода статора и выплавлению обмоток. Стандартные защиты АЭД, реализованные в большинстве современных микропроцессорных устройствах релейной защиты, не обеспечивают требуемую чувствительность для большинства видов повреждений. Одним из способов повышения срока службы АЭД является совершенствование существующих и разработка новых алгоритмов защит от тепловой перегрузки асинхронных электродвигателей. Именно для этого появилась необходимость в устройствах защиты и мониторинга состояния асинхронных электродвигателей. Современные стандарты большинства стран мира предъявляют все более высокие требования к технической эксплуатации электроустановок. Необходимость в постоянном мониторинге работы дорогостоящего оборудования усиливает потребность в использовании высококачественной, надежной и комплексной защиты электродвигателей.
1. Актуальність теми
Кключовим електродвигунами змінного струму, масово застосовуються в якості електроприводу механізмів системи власних потреб електростанцій і промислових підприємств, є асинхронні електродвигуни (АД) з короткозамкненим ротором (КЗР). Дані машини характеризуються простотою конструкції, відносною надійністю і зручністю обслуговування. Однак, незважаючи на перераховані вище переваги, як справедливо показано в [1,2] АД з КЗР мають досить високий відсоток пошкодження (близько 25-30 % за рік від загальної кількості експлуатованих машин), пов'язаний з роботою в аварійних та анормальних режимах, а також з некоректною роботою пристроїв релейного захисту та автоматики (Рза). Пошкоджуваність АД з КЗР можливо знизити за рахунок подальшого удосконалення систем Рза. Тому, завдання вдосконалення теплового захисту асинхронних електродвигунів є актуальною.
2. Мета і задачі дослідження
Робота присвячена вдосконаленню теплової захисту низьковольтних асинхронних машин з короткозамкненим ротором, на основі контролю еквівалентної температури нагріву за даними визначення вхідного активного опору прямої послідовності в холодному і гарячому станах. Обчислення вхідних опорів здійснюється на основі вимірювання фазних струмів і напруг, а також величини ковзання. Працездатність запропонованої теплової захисту перевірена на ПЕОМ з використанням методів математичного моделювання для асинхронного двигуна потужністю 5,5 кВт і напругою статора 0,4 кВ.
3. Аналіз попередніх досліджень
Питань вдосконалення Рза асинхронних машин, у тому числі і асинхронних електродвигунів (АЕД) з КЗР присвячено велику кількість наукових робіт [1–6], в яких основну увагу приділено тепловим захисту (ТЗ). [1–3], показано модернізовані захисту від теплового перевантаження, особливістю яких є використання псевдотепловых моделей, недоліками яких є незадовільна робота в ряді анормальних та аварійних режимах роботи, таких як змішаний режим, обрив стрижнів КЗР та ін. [4–6], представлені найбільш перспективні алгоритми ТЗ, засновані на контролі параметрів поточного режиму, однак потребують подальшої модернізації для застосування в якості захисту низьковольтних АМ з КЗР.
4.Матеріал і результати дослідження
В якості платформи для вдосконалення ТЗ низьковольтних АМ з КЗР будемо використовувати алгоритм контролю еквівалентної температури нагріву асинхронної машини на основі вимірювання параметрів поточного режиму, викладений в [5]. На відміну від алгоритму ТЗ, представленого в [5] будемо використовувати для визначення еквівалентної температури нагріву асинхронної машини на основі вимірювання миттєвих значень фазних струмів і напруг, а також величини ковзання.З метою більш коректної роботи в несиметричних режимах будемо використовувати розрахунок на кожному кроці роботи мікроконтролера вхідних активних опорів прямої послідовності (ПП), аналогічно з алгоритмом, наведеним в [6].
У даній роботі в основі алгоритму ТЗ будемо застосовувати одноконтурну еквівалентну схему заміщення (ЕСЗ) АМ з контуром втрат в стали статора і урахуванням скін-ефекту прямої послідовності, показану на рис.1. Всі обчислення будемо виконувати в системі відносних одиниць (о. е.). Параметри обраної ЕСЗ АМ з КЗР будемо визначати з використанням методу, викладеного в [7]. Скін-ефект в даній схемі заміщення враховується спрощено за допомогою лінійних залежностей (1), що прийнятно для низьковольтних машин.
Рисунок 1 – Одноконтурна еквівалентна схема заміщення асинхронної машини
прямої послідовності з контуром втрат в сталі статора з урахуванням скін–ефекту
(анімація 6 кадрів,6 циклів)
Ідеєю ТЗ, як і в [5] є визначення в масштабі реального часу еквівалентної температури нагріву асинхронної машини шляхом порівняння поточного розрахункового значення вхідного активного опору в гарячому стані з відомим значенням холодного стану.На кожному кроці роботи мікропроцесорного терміналу Рза для визначення еквівалентної температури нагріву АМ з КЗР повинні проводитися наступні обчислювальні операції:
• Вимірювання миттєвих значень струмів(ia, ib, ic) і напруг (ua, ub, uc) фаз a, b і c;
• При наявності датчика температури, вбудованого в обмотку статора, коригуємо поточне значення активних опорів статора і контуру втрат в сталі магнітопроводу статора, аналогічно [6];
• Вимірювання величини ковзання (s) одним з відомих способів, наприклад, датчиком кута положення ротора, встановленим на валу АМ [3–6];
• Обчислення модулів узагальненого вектора струму і напруги статора ПП асинхронного машини:
• Розрахунок потужності ПП АМ з КЗР:
• Визначення вхідного активного опору прямої послідовності в гарячому стані:
• Визначення вхідного активного опору П машини в холодному (вихідному) R ВХ вих.1 (s) стан для поточної величини ковзання s:
• Визначення поточного значення еквівалентної температури нагрівання АД з КЗР на основі порівняння вхідного активного опору ПП, виміряного в гарячому стані і відомого опору в холодному (вихідному) стані для поточної величини ковзання:
Працездатність запропонованої теплової захисту асинхронної машини була перевірена на сучасній ПЕОМ з використанням методів математичного моделювання для АЕД з КЗР типу АИР-112-М4, каталожні дані якого представлені в табл.1. В роботі застосовувалася математична модель АЕД з КЗР на основі повних диференціальних рівнянь, наведена в [5]. Параметри ЭСЗ АМ для температури 750С були визначені на основі каталожних даних, згідно [7], і представлені в табл.2.
Результати розрахунків режиму збільшення навантаження на валу (накиду навантаження), що підтверджують правильність алгоритму наведено на Рис.2 в вигляді залежності від часу еквівалентної температури нагріву АЕД з КЗР, визначеної за запропонованого в роботі алгоритму (VR) і температурою, розрахованої за певним законом (VR*) як і в [5]. Збіг практично VАЕД підтверджує правильність роботи ТЗ АМ з КЗР. Також, аналогічно[6], перевірена коректна робота ТЗ при різних коефіцієнтах асиметрії, що підтверджує нівелювання впливу несиметричних режимів роботи на точність визначення температури машини.
Рисунок 2 – Залежність еквівалентної температури нагріву АТ з КЗР типу АІР-112-М4 від часу
Висновок
У роботі запропоновано вдосконалений алгоритм теплової захисту низьковольтних асинхронних машин з короткозамкненим ротором на основі контролю параметрів поточного режиму. Запропоновано побічно визначати еквівалентну температуру нагріву машини на основі визначення за даними вимірювань параметрів поточного режиму вхідних опорів прямої послідовності, що позитивно позначається на роботі теплового захисту в різних несиметричних режимах. Працездатність запропонованої теплової захисту перевірена на ПЕОМ з використанням методів математичного моделювання для асинхронного двигуна потужністю 5,5 кВт і напругою статора 0,4 кВ.
Вищевикладений матеріал був представлений на міжнародній науково-технічній конференції «Інноваційні перспективи Донбасу», а також опублікований у відповідному збірнику наукових праць конференції, який увійшов в базу РИНЦ [ 8 ].
При написанні даного реферату магістерська робота ще не завершена. Остаточне завершення: червень 2018 року. Повний текст роботи і матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після зазначеної дати.
Перелік джерел
- Корогодский В.И. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1кВ/С.Л. Кужеков, Л.Б. Паперно – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 248 с.
- Гусаров А.А. Определение температуры элементов тепловой схемы замещения асинхронного двигателя для разработки теплового реле и диагностики / А.А. Гусаров, Е.Б. Ковалёв // Сборник научных трудов УкрВНИИВЭ. Серия «Взрывозащищённое оборудование». –2009. – С. 155 – 161.
- Zocholl S.E. On the protection of thermal processes power delivery / S.E. Zocholl, G. Benmouyal // IEEE Transactions on Vol.20, Issue 2 – 2005. – P.: 1240 – 1246;
- Ткаченко С.Н. Цифровая релейная защита низковольтных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором системы собственных нужд электростанций / Збірник наукових праць ДВНЗ «Донецький національний технічний університет». Серія «Електротехніка і енергетика». – випуск 2 (15). – Донецьк, 2013. – С. 217 – 222.
- Ткаченко С.Н. Прогнозирование срока службы асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором на основе контроля параметров текущего режима / С.Н. Ткаченко – Завалишинские чтения'16, ГУАП, г. СПб, №4.– 2016. – С.246-249.
- Сивокобыленко В.Ф. Моделирование алгоритма тепловой защиты короткозамкнутого ротора асинхронного электродвигателя / В.Ф. Сивокобыленко, С.Н. Ткаченко // Вісник національного університету «Львівська політехніка». «Електроенергетичні та електромеханічні системи». – № 654. – Львів,2009. – С.203–209.
- Ткаченко С.Н. Метод идентификации параметров эквивалентных схем замещения асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым ротором / Ткаченко С.Н. // Збірник наукових праць ДВНЗ «Донецький національний тех-нічний університет». Серія «Електротехніка і енергетика». – випуск 1 (16). – Донецьк, 2014. – С. 210 – 215.
- Ткаченко С.Н.,Коваленко А.В., Киселёв В.А. Совершенствование тепловой защиты низковольтных асинхронных машин с короткозамкнутым ротором / Иновационные перспективы Донбасса, 4-й международной научно-практической конференции 2018.